JP2000120869A - 摺動部材及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
される摺動部材の耐Al凝着性を高めることにある。 【解決手段】 ピストンリング1の全表面にガス窒化層
2を形成し、上下面のガス窒化層2上に、0.5〜5μ
mの大きさの瘤状に析出した表面組織を有するダイヤモ
ンドライクカーボン皮膜3を0.5〜30μmの厚さで
形成する。ダイヤモンドライクカーボンは、1.アモル
ファス炭素構造、2.ダイヤモンド構造を一部有するア
モルファス炭素構造、3.グラファイト構造を一部有す
るアモルファス炭素構造の何れかの形態をとる。
Description
使用されるピストンリング等の摺動部材に関し、特にA
l合金製ピストンのリング溝に組み付けられるピストン
リングに適用して有効である。
長寿命化され、更に排気ガス規制に対応する必要があ
る。このため、ピストンリングの使用環境は益々苛酷に
なっている。通常、このようなエンジンのピストンリン
グの上下面には、Crめっき皮膜や窒化層やPVD皮膜
が形成される例が多い。
D皮膜を有するピストンリングは、ピストンリングの上
下面がAl合金製ピストンのリング溝側面と高温下で衝
突を繰り返すと、ピストンリングの上下面にAl凝着を
生じて、リング溝の摩耗を増大させることがある。
成樹脂被覆をピストンリングの上下面に施すと、エンジ
ン運転の初期にAl凝着を抑止できることが知られてい
る。しかし、樹脂被覆は、耐摩耗性が低いので、Al凝
着抑止効果が長続きしない不都合がある。
と、ピストンリングとに人造ダイヤモンド材の薄い被覆
を施して耐久性を高めることが、特開平3−26036
2号に記載されている。しかし、特開平3−26036
2号は、人造ダイヤモンド材の薄い被覆の詳細について
何等説明していない。
関して以下の提案がある(特開平5−179451
号)。フェライトを含む鉄系材料で構成される一方の摺
動面と組み合わせる他方の摺動面にW及び/又はSiが
分散したアモルファス炭素を主成分とする皮膜を形成
し、フェライト組織の凝着を抑制する。この技術は例え
ばパワーステアリング機構に使用される油圧バルブ装置
に使用される。しかし、特開平5−179451号は、
Al合金製のピストンと組み合わされるピストンリング
の上下面におけるAl凝着については全く記載していな
い。
高温・高負荷で使用される摺動部材の耐Al凝着性を高
めることにある。
ヤモンドライクカーボン皮膜を有する摺動部材であっ
て、前記ダイヤモンドライクカーボン皮膜が0.5〜5
μmの大きさの瘤状に析出した表面組織を有することを
特徴とする。
ンドライクカーボンは、次の何れかの形態をとる。 1.アモルファス炭素構造 2.ダイヤモンド構造を一部有するアモルファス炭素構
造 3.グラファイト構造を一部有するアモルファス炭素構
造
ヤモンドライクカーボン皮膜の性状を調査する過程で、
瘤状に析出した表面組織を有するダイヤモンドライクカ
ーボン皮膜は、層状に析出した表面組織を有する皮膜と
比較すると、 ・皮膜の密着性が著しく高いこと ・Al凝着が起きにくいこと を見出した。Al凝着は、皮膜の脱落やピット等の欠陥
部で発生しやすいので、本発明のダイヤモンドライクカ
ーボン皮膜にAl凝着が起きにくい性質は、密着性が高
いことによるものと考えられる。
織が密着性に及ぼす機構は不明であるが、 ・瘤状に析出した表面組織を有する皮膜は、瘤と瘤の境
界が緩衝作用を果たし、局部に生じた歪みが遠方に伝わ
り難い。 ・瘤状に析出した表面組織を有する皮膜は、内部歪みが
低い状態で析出する。 ためと考えられる。
mの大きさがよい。瘤の大きさが0.5μmを下回る
と、ダイヤモンドライクカーボン皮膜は滑らかな層状の
表面組織を有する皮膜となり、瘤の大きさが5μmを上
回ると、脱落やピットが生じ易くなる。
皮膜を得るには、被覆面に不均一で微細な凹凸を形成し
た後、ダイヤモンドライクカーボン皮膜を被覆する。不
均一で微細な凹凸は、ラッピング加工やブラスト加工等
で形成できる。ここで、被覆面の凹凸は、表面粗さで
0.05〜1μmRaの範囲がよい。
ドライクカーボン皮膜は滑らかな層状の表面組織を有す
る皮膜となり、剥離や割れが生じやすくなる。また、被
覆面の凹凸が大きすぎると、ダイヤモンドライクカーボ
ン皮膜の表面粗さが大きくなって、摺動特性が悪化す
る。同時に、脱落やピットも生じ易くなる。同じ表面粗
さでも、砥石研磨で形成した面は、規則的な研磨痕が形
成されるので好ましくない。このような研磨面の上に析
出するダイヤモンドライクカーボン皮膜は、滑らかな層
状の表面組織を有する皮膜となる。そして、溝状の研磨
痕の部分から剥離が生じ易い。
の表面粗さは、0.07〜1.5μmRaの範囲が好ま
しく、ピストンリングに適用する場合、皮膜厚さは、
0.5〜30μmの範囲とするのがよい。皮膜厚さが
0.5μmを下回ると、ピストンリング寿命が短くな
り、30μmを上回ると、密着性が低下し、結果として
耐Al凝着性が低下する。
に直接、あるいは硬質Crめっき皮膜、ガス窒化層又は
イオンプレーティング皮膜の上に形成される。
カッフ性が本来高いが、Si、Ti、W、Cr、Mo、
Nb、及びVの群から選ばれた1又は2以上の元素(金
属及び炭化物の一方又は両方の形態で存在)を5〜40
原子%含ませることによって、耐スカッフ性、耐摩耗
性、及び耐Al凝着性を向上させることができる。
より説明する。
全表面にはガス窒化層2が5〜150μmの厚さで形成
されており、上下面のガス窒化層2上に、Si、Ti、
W、Cr、Mo、Nb、及びVの群から選ばれた1又は
2以上の元素を5〜40原子%含むダイヤモンドライク
カーボン皮膜3が0.5〜30μmの厚さで形成されて
いる。ダイヤモンドライクカーボン皮膜3は0.5〜5
μmの大きさの瘤状に析出した表面組織を有している。
ダイヤモンドライクカーボン皮膜3の硬度はHV700
〜2000の範囲内にある。
グ1の上下面と外周面に、硬質Crめっき皮膜あるいは
窒化クロム(CrN、Cr2 N)や窒化チタン(Ti
N)等のイオンプレーティング皮膜4が形成されてお
り、上下面の皮膜4上に上記ダイヤモンドライクカーボ
ン皮膜3が0.5〜30μmの厚さで形成されている。
硬質Crめっき皮膜の場合、皮膜厚さは5〜150μ
m、イオンプレーティング皮膜の場合、皮膜厚さは1〜
150μmである。
ン皮膜3とは別種の耐摩耗表面処理層(ガス窒化層2、
あるいは硬質Crめっき皮膜やイオンプレーティング皮
膜4)を形成せずに、上記ダイヤモンドライクカーボン
皮膜3をピストンリング1の上下面に0.5〜30μm
の厚さで直接形成した例である。なお、ピストンリング
1の外周面には上記ダイヤモンドライクカーボン皮膜3
が形成された。
イクカーボン皮膜3をピストンリング1の上下面に形成
した例を示したが、上下面の一方の面にだけ形成するこ
ともできる。
は、反応性イオンプレーティング法、あるいは反応性ス
パッタリング法等のPVD法によって被覆することがで
きる。例えば、真空チャンバ内でピストンリングを回転
させつつ不活性ガスを導入し、イオンボンバードメント
でピストンリング表面を清浄化した後、炭素の供給源で
あるメタン等の炭化水素ガスをチャンバに導入し、ピス
トンリング近傍をプラズマ状態に保つと同時に、Si、
Ti、W、Cr、Mo、Nb、及びVの群から選ばれた
1又は2以上の元素を蒸発させる反応性イオンプレーテ
ィング法で、上記ダイヤモンドライクカーボン皮膜3を
ピストンリングに被覆することができる。この際、反応
ガス中の炭化水素ガス分圧を調整することによって、S
i、Ti、W、Cr、Mo、Nb、及びVの群から選ば
れた1又は2以上の原子を炭化物として析出させること
ができる。Si、Ti、W、Cr、Mo、Nb、及びV
の群から選ばれた1又は2以上の元素の含有比率は、こ
れらの蒸発速度及び反応ガス圧力を調整することによっ
て調整できる。
試験結果を説明する。
(表面硬度:HV1100、窒化深さ:70μm)した
圧縮リングの上下面を、表1に示す種々の方法で研磨加
工した。
ング法で、Si:15%を含むダイヤモンドライクカー
ボン皮膜を圧縮リングの上下面に被覆した。皮膜厚さは
2μmであった。
ン皮膜被覆後のピストンリングの表面のSEM写真を図
2(実施例1)と図3(比較例1)に示す。
イクカーボン皮膜の上から圧子を押し込み、圧痕の周囲
を観察してクラック及び剥離の有無を実体顕微鏡(倍率
100倍)で観察した。圧子は先端の曲率半径0.2m
m、円錐角120度のダイヤモンド製で、押込荷重は5
88.4Nである。結果を表2に示す。
離発生を示す。
ンダ径:φ86mmのガソリンエンジンに前記の圧縮リ
ングを組み付け、5000rpm、全負荷の条件で運転
し、10時間毎にエンジンを分解して圧縮リングを観察
し、Al凝着が発生する時間を調査した。結果を図4に
示す。実施例1〜2の圧縮リングは比較例1〜3の圧縮
リングに比べて耐Al凝着性がかなり優れていることが
わかる。比較例1〜3の圧縮リングがAl凝着し易いの
は、主として皮膜の密着性が劣り、脱落やクラックの部
分からAl凝着するためと考えられる。
は、密着性に優れ、耐Al凝着性に優れているので、高
温下でAl合金を相手材として摺動する摺動部材に好適
に利用できる。
明の実施形態を示すピストンリングの一部分の縦断面図
である。
後の表面のSEM写真(倍率1200倍)、(b)は実
施例1のピストンリングのダイヤモンドライクカーボン
皮膜被覆後の表面のSEM写真(倍率1200倍)であ
る。
後の表面のSEM写真(倍率1200倍)、(b)は比
較例1のピストンリングのダイヤモンドライクカーボン
皮膜被覆後の表面のSEM写真(倍率1200倍)であ
る。
Claims (7)
- 【請求項1】 摺動面にダイヤモンドライクカーボン皮
膜を有する摺動部材であって、前記ダイヤモンドライク
カーボン皮膜が0.5〜5μmの大きさの瘤状に析出し
た表面組織を有することを特徴とする摺動部材。 - 【請求項2】 前記ダイヤモンドライクカーボン皮膜が
硬質Crめっき皮膜、ガス窒化層又はイオンプレーティ
ング皮膜の上に形成されていることを特徴とする請求項
1記載の摺動部材。 - 【請求項3】 前記ダイヤモンドライクカーボン皮膜が
摺動面に直接形成されていることを特徴とする請求項1
記載の摺動部材。 - 【請求項4】 前記ダイヤモンドライクカーボン皮膜が
Si、Ti、W、Cr、Mo、Nb、及びVの群から選
ばれた1又は2以上の元素を含むことを特徴とする請求
項1,2又は3記載の摺動部材。 - 【請求項5】 前記摺動部材の相手材がAl合金製であ
ることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の摺
動部材。 - 【請求項6】 前記摺動部材がピストンリングであり、
前記摺動面がピストンリングの上下面の少なくとも一面
である請求項1〜5のいずれかに記載の摺動部材。 - 【請求項7】 摺動面をラッピング加工又はブラスト加
工して、表面粗さを0.05〜1μmRaに仕上げた
後、ダイヤモンドライクカーボン皮膜を被覆することを
特徴とする摺動部材の製造方法。
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